Be s ehre ibung

Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanord ^¬ nung zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mit ei- ner Betriebsschaltung für die Hochdruckentladungslampe mit einem Eingang zum Empfang eines Anschalt-/Aus- schaltsignals für die Hochdruckentladungslampe und min ^¬ destens einem Ausgang zum Bereitstellen eines Betriebssignals an die Hochdruckentladungslampe. Sie betrifft ü- berdies ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe an einer derartigen Schaltungsanordnung.

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Prob ^¬ lematik des Wiederzündens von Hochdruckentladungslampen, wie sie insbesondere bei Rückprojektionsfernsehern und Beamern eingesetzt werden. Derartige Hochdruckentladungs ^¬ lampen benötigen nach dem Abschalten eine Abkühlphase, bevor sie wieder erfolgreich gezündet werden können. Dadurch können sie nach dem Abschalten nicht so schnell wieder eingeschaltet werden können, wie dies Anwender von üblichen Fernsehgeräten gewohnt sind. Im Stand der Technik werden deshalb derartige Hochdruckentladungslampen nach dem Abschalten für eine bestimmte Zeit gekühlt, be ^¬ vor ein neuer Zündversuch unternommen wird. Die Abkühlphase dauert üblicherweise zwischen 30 Sek. und 3 Min. Besonders bei Rückprojektionsfernsehern ist diese lange Wiederzündzeit unerwünscht.

Aus der US 2002/0135324 Al ist ein Verfahren zum Betreiben einer mit Gleichstrom betriebenen Entladungslampe bekannt. Die genannte Druckschrift beschäftigt sich mit dem Problem, dass beim Ausschalten einer Entladungslampe das im Betrieb verdampfte Quecksilber auf einer der beiden Elektroden der Entladungslampe kondensiert und dadurch die Gefahr eines Kurzschlusses mit der anderen Elektrode steigt. Zur Lösung schlägt die genannte Druckschrift vor, die Lampe durch Zurücknahme der Leistung zu kühlen, um damit sicherzustellen, dass das Quecksilber an einem anderen Punkt als auf der Elektrode kondensiert.

Zum weiteren Stand der Technik wird verwiesen auf die JP 2004-319193 sowie die JP 2003-109845.

Darstellung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Schaltungsanordnung bzw. ein eingangs genanntes Verfahren derart weiterzubilden, dass dadurch eine verkürzte Wiederzündzeit ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 11.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Lösung dieser Aufgabe ermöglicht wird, wenn die Lampe vor dem tatsächlichen Abschalten in eine Art Stand- By-Modus versetzt wird. In diesem Stand-By-Modus wird die Entladungslampe mit einer geringeren Leistung als im Normalbetrieb betrieben, wodurch die Entladungslampe all ^¬ mählich, gegebenenfalls begünstigt durch Kühlung mittels

eines Lüfters, weiter abkühlt. Am Ende dieses Stand-By- Modus ist die Lampe vorzugsweise auf eine Temperatur ab ^¬ gekühlt, bei der sie nach einem tatsächlichen Abschalten sofort wiedergezündet werden kann. Während des Stand-By- Modus kann die Lampe jederzeit schnell wieder hochgefah ^¬ ren werden. Dadurch gibt es im Idealfall keinen Zeitpunkt mehr, in dem die Lampe nicht sofort wieder in Betrieb ge ^¬ setzt werden kann.

Allerdings kann bei einer Entladungslampe, die im Normal- betrieb mit einem AC-Signal betrieben wird, die Leistung nicht beliebig weit abgesenkt werden, insbesondere nicht auf eine Leistung, die zu einer derartigen Abkühlung der Entladungslampe führen würde, so dass diese nach einem Abschalten sofort wiedergezündet werden könnte. Dies ist nämlich deshalb nicht möglich, weil unterhalb einer ge ^¬ wissen Leistungsschwelle der Lampenbogen erlischt. Die vorliegende Erfindung basiert deshalb weiterhin auf der Erkenntnis, dass beim Betrieb einer Entladungslampe mit einem AC-Signal zur Vermeidung des Erlöschens des Lampen- bogens beide Elektroden über der thermischen Emissionstemperatur bleiben müssen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass ein Betrieb der Hochdruckentladungslampe ohne Erlöschen des Lampenbogens bis zu noch niedrigeren Leistungen möglich ist, wenn im Wesent- liehen nur eine Elektrode emittiert, wenn also die AC- Entladungslampe unter einem vorgebbaren Leistungsschwell ^¬ wert mit einem Quasi-DC-Signal betrieben wird. Ein Quasi- DC-Signal ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Signal, das im Wesentlichen ein DC-Signal darstellt, ins- besondere beispielsweise auch ein reines DC-Signal. Mit anderen Worten, könnte unterhalb einer vorgebbaren Leis-

tungsschwellwerts die Lampe anstatt aus der AC-Quelle, die für den Normalbetrieb vorgesehen ist, aus einer sepa ^¬ raten DC-Quelle gespeist werden. Besonders elegant und kostengünstig ist jedoch eine Lösung, bei der die für den Normalbetrieb vorgesehene AC-Quelle durch geeignete An ^¬ steuerung veranlasst wird, ein Quasi-DC-Signal an seinem Ausgang an die Entladungslampe bereitzustellen. Dieses Signal wirkt für die Entladungslampe wie ein DC-Signal, wobei jedoch im Hinblick auf seine Erzeugung aus einer normalerweise zur Realisierung einer AC-Quelle vorgesehe ^¬ nen Teilschaltung gewisse Kompromisse erlaubt sind.

So kann die Betriebsschaltung eine Brückenschaltung mit mindestens einem ersten und einem zweiten elektronischen Schalter umfassen, wobei die Betriebsschaltung weiterhin eine Ansteuerschaltung für zumindest den ersten und den zweiten elektronischen Schalter umfasst, wobei die Ansteuerschaltung ausgelegt ist, den zumindest ersten und zweiten elektronischen Schalter derart anzusteuern, dass die Brückenschaltung an ihrem Ausgang zumindest das AC- Signal bereitstellt. Wie bereits erwähnt, könnte die Be ^¬ triebsschaltung eine Gleichspannungsquelle umfassen, wo ^¬ bei die Betriebsschaltung ausgelegt ist, unter dem vorgebbaren Leistungsschwellwert den Ausgang mit der Gleichspannungsquelle zu koppeln. Die Ansteuerschaltung könnte jedoch auch ausgelegt sein, zumindest den ersten und den zweiten elektronischen Schalter derart anzusteuern, dass die Brückenschaltung an ihrem Ausgang auch das Quasi-DC- Signal bereitstellt. Dann brauchte nämlich keine separate Gleichspannungsquelle vorgesehen werden.

Wird als Brückenschaltung eine Vollbrücke verwendet, wo ^¬ bei die Hochdruckentladungslampe im Brückenzweig angeord-

net ist, werden diagonal liegende Schalter gleichzeitig geschaltet. Dabei wird die Vollbrücke von einer Gleich ^¬ spannungsquelle gespeist, insbesondere aus der so genann ^¬ ten Zwischenkreisspannung . Die Gleichspannungsquelle wird durch das gleichzeitige Schalten der diagonal liegenden Schalter mit wechselnder Polarität mit der Hochdruckent ^¬ ladungslampe gekoppelt. Eine Kommutierung besteht aus dem Ausschalten der in einer Diagonale liegenden Schalter und dem Einschalten der in der anderen Diagonale liegenden Schalter. Zwei nebeneinander liegende Schalter sind mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle gekoppelt, die beiden anderen mit dem Pluspol. Der Minuspol stellt in der Regel das Bezugspotenzial der Schaltungsanordnung dar. Die mit dem Minuspol gekoppelten Schalter sind des- halb meist problemlos ansteuerbar. Die mit dem Pluspol gekoppelten Schalter werden als hochliegende Schalter bezeichnet und sind bekanntermaßen aufwändig ansteuerbar.

Die Ansteuerschaltung umfasst demnach einen Low-Side- Treiber für die mit dem Minuspol gekoppelten Schalter und einen High-Side-Treiber für die mit dem Pluspol gekoppelten Schalter, wobei der Low-Side-Treiber und der High- Side-Treiber jeweils einen Ausgang aufweisen zum Koppeln mit dem jeweiligen Schalter, jeweils einen Steuereingang zum Koppeln mit einer Steuervorrichtung und jeweils einen Versorgungsanschluss zum Koppeln mit einem Anschluss zum Anschließen einer Versorgungsspannung, wobei dem High- Side-Treiber eine Ladungspumpe, insbesondere ein Konden ^¬ sator, zugeordnet ist, die zwischen den Versorgungsanschluss und den Mittelpunkt zwischen dem ersten und dem zweiten elektronischen Schalter gekoppelt ist.

Bevorzugt umfasst die Ladungspumpe dabei weiterhin eine Diode, die derart zwischen den Kondensator und den Ver- sorgungsspannungsanschluss gekoppelt ist, dass ein Strom- fluss vom Kondensator zum Versorgungsspannungsanschluss verhindert wird.

In diesem Fall ist besonders bevorzugt, wenn die Ansteu ^¬ erschaltung ausgelegt ist, das Quasi-DC-Signal durch Aus ^¬ führung von Pseudo-Kommutierungen bereitzustellen. Dabei handelt es sich um zwei schnell hintereinander ausgeführ- te Kommutierungen, wobei die erste Kommutierung so kurz ist, dass sie mehr oder weniger unterdrückt wird. Bei ^¬ spielsweise schaltet in einem bevorzugten Ausführungsbei ^¬ spiel ein Vollbrückenzweig für 5 μs ein, der andere für 15 ms. Die erste kurze Kommutierung ist im Lampenstrom kaum zu erkennen, quasi unterdrückt, da der Strom bedingt durch Ausgangskapazität und -induktivität des Zündkreises gar nicht so schnell seine Flussrichtung umkehren kann. Der Lampe wird also ein DC-Signal zugeführt. Allerdings reicht die kurze Kommutierung aus, um den Kondensator der Ladungspumpe nachzuladen. Eine typische Kommutierung im Normalbetrieb dauert in einem bevorzugten Ausführungsbei ^¬ spiel etwa 50 μs . Das Verhältnis zwischen kurzer und lan ^¬ ger Kommutierung zur Realisierung eines Quasi-DC-Signals liegt bevorzugt im Bereich zwischen 1:500 und 1:10000.

Derartige Kommutierungen sind, allerdings in einem gänz ^¬ lich anderen Zusammenhang, beschrieben in der Anmeldung PCT/EP2006/069665 der Anmelderin vom 13.12.2006, deren Offenbarungsgehalt durch diese Bezugnahme in die Offenba ^¬ rung der vorliegenden Anmeldung aufgenommen wurde.

Bevorzugt ist die Ansteuerschaltung ausgelegt, die Pseu- do-Kommutierungen mit einer Frequenz zwischen 50 Hz und 1 kHz, bevorzugt 500 Hz auszuführen. Dadurch kann einerseits eine ausreichende Energieversorgung der als Anode wirkenden Elektrode der Hochdruckentladungslampe sicher ^¬ gestellt werden, so dass die Emissionstemperatur überschritten bleibt und der Lampenbogen nicht erlischt. Andererseits kann eine Abkühlung der Lampe erreicht werden, die unmittelbar nach dem Abschaltvorgang der Hochdruck- entladungslampe ein Wiederzünden der Hochdruckentladungs ^¬ lampe ermöglicht. Schließlich kann durch eine derartige Frequenz von Pseudo-Kommutierungen ein ausreichendes Nachladen des Kondensators der Ladungspumpe sicherge ^¬ stellt werden.

Weiterhin bevorzugt ist die Ansteuerschaltung ausgelegt, beim Abschalten die Polarität während des letzten Quasi- DC-Betriebs zu speichern, wobei die Ansteuerschaltung weiterhin ausgelegt ist, beim nächsten Abschalten für den Quasi-DC-Betrieb die andere Polarität zu verwenden. Da- durch kann eine gleichmäßige Belastung der Elektroden der Lampe sichergestellt werden. Weiterhin bevorzugt umfasst die Ansteuerschaltung eine Zeitmessvorrichtung, wobei die Ansteuerschaltung weiterhin ausgelegt ist, nach Ablauf einer vorgebbaren Zeitdauer, in der die Hochdruckentla- dungslampe mit einem Quasi-DC-Signal einer vorgebbaren Leistung betrieben wurde, den Betrieb der Hochdruckentla ^¬ dungslampe einzustellen, d. h. die Hochdruckentladungs ^¬ lampe abzuschalten. Alternativ kann auch eine Temperaturmessvorrichtung verwendet werden, die feststellt, ob die Hochdruckentladungslampe auf eine Temperatur abgekühlt ist, die ein sofortiges Wiederzünden ermöglicht. Durch

die Zeitmessvorrichtung und/oder die Temperaturmessvorrichtung wird die Phase, in der die Hochdruckentladungs ^¬ lampe zwar bei geringerer Leistung betrieben wird, aber dennoch Energie verbraucht, minimiert.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Schaltungsanord ^¬ nung vorgestellten, bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend, soweit anwendbar, für das erfindungsgemäße Verfahren.

Kurze Beschreibung der Zeichnung (en)

Im Nachfolgenden wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel ei ^¬ ner erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen :

Fig. 1 in schematischer Darstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Leistungsversorgung der Hochdruckentladungslampe;

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf des Lampenstroms ohne Pseu- do-Kommutierungen; und

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf des Lampenstroms mit Pseu- do-Kommutierungen .

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanord ^¬ nung. Diese umfasst einen ersten El und einen zweiten Eingangsanschluss E2, zwischen denen eine Gleichspannung anzuschließen ist, vorzugsweise die so genannte Zwischen- kreisspannung, die in der Größenordnung zwischen 300 und 400 V liegt. Zwischen die Eingangsanschlüsse El, E2 ist eine DC-Niederspannungs-Versorgungseinheit 10 geschaltet, die an einem ersten Ausgang Al eine Gleichspannung von 5 V an einen Microcontroller 12, und an einem zweiten Ausgang A2 eine Gleichspannung von 15 V an einen High- Side-Treiber 14 und einen Low-Side-Treiber 16 bereitstellt. Der Microcontroller 12 steuert den Low-Side- Treiber 16 direkt an, den High-Side-Treiber 14 über eine Potenzialtrennungseinheit 18.

Zwischen den Ausgang A2 der DC-Niederspannungs-Ver- sorgungseinheit 10 und den High-Side-Treiber 14 ist eine Ladungspumpe gekoppelt, die eine Diode Dl und einen Kon ^¬ densator Cl umfasst. Der Kondensator Cl ist an eine Wech- selspannungsquelle angeschlossen, die vorliegend den Brü ^¬ ckenmittelpunkt BMl einer Brückenschaltung 20 darstellt. Das Potenzial des Brückenmittelpunkts BMl wird dem High- Side-Treiber 14 als Bezugspotenzial zugeführt, während der Low-Side-Treiber 16 als Bezugspotenzial das Massepo- tenzial zugeführt erhält, das das Potenzial am Eingangs ^¬ anschluss E2 darstellt.

Die Brückenschaltung 20 umfasst vier elektronische Schal ^¬ ter Sl, S2, S3, S4, wobei im Betrieb die Schalter der Diagonale Sl, S4 bekanntermaßen gleichzeitig geöffnet wäh-

rend die Schalter der anderen Diagonale S2, S3 geschlos ^¬ sen werden und umgekehrt. Eine Hochdruckentladungslampe La ist über eine Zündschaltung, die zwei miteinander gekoppelte Induktivitäten Ll, L2 sowie einen Kondensator C2 umfasst, zwischen die beiden Brückenmittelpunkte BMl, BM2 gekoppelt .

Der High-Side-Treiber 14 dient zur Ansteuerung der Schalter Sl, S3, während der Low-Side-Treiber 16 zur Ansteuerung der Schalter S2, S4 dient.

Der Brückenmittelpunkt BMl wechselt demnach sein Potenzi ^¬ al in Abhängigkeit der Stellung der Schalter Sl, S2 zwischen 0 V und U _zw . Ein Nachladen des Kondensators Cl zur Versorgung des High-Side-Treibers 14 wird ermöglicht, wenn der Brückenmittelpunkt BMl auf Massepotenzial liegt, d. h. der Schalter S2 geschlossen und der Schalter Sl geöffnet ist.

Zur Bereitstellung eines DC-Signals an die Entladungslampe La werden mehrmals hintereinander jeweils zwei aufeinanderfolgende Kommutierungen durch zwei schnell hinter- einander ausgeführte Kommutierungen, sogenannte Pseudo ^¬ Kommutierungen ersetzt. Die Lampe La erhält dadurch ein DC-Signal zugeführt, da der Lampenstrom aufgrund der Aus ^¬ gangskapazität und -induktivität des Zündkreises gar nicht schnell genug seine Richtung ändern kann. Es ist lediglich ein kurzzeitiger Einbruch in der Amplitude des Lampenstroms feststellbar.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform wird der Lampe La anstelle der Durchführung von Pseudo ^¬ Kommutierungen ein DC-Signal über ein Netzteil und einen Gleichrichter zugeführt, sobald die der Lampe zugeführte

Leistung soweit abgesunken ist, dass bei einem Betrieb der Lampe mit einem AC-Signal die Gefahr des Erlöschens des Lampenbogens besteht.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung den zeitlichen Verlauf der Leistung P, die der Hochdruckentladungslampe La zugeführt wird. Zwischen den Zeitpunkten to und ti wird die Lampe im Normalbetrieb bei 100 % Leistung be ^¬ trieben. Zum Zeitpunkt ti möchte die Bedienperson den Projektor, in dem die Hochdruckentladungslampe La mon- tiert ist, ausschalten. Dem Microcontroller 12 wird über eine in Fig. 1 nicht dargestellte Schnittstelle ein ent ^¬ sprechendes Signal zugeführt, worauf die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung beginnt, die der Lampe La zugeführte Leistung herunterzuregeln . Zwischen den Zeitpunkten t ₀ und t ₂ wird die Hochdruckentladungslampe La mit einem AC- Signal betrieben. Zum Zeitpunkt t ₂ , d. h. bei Erreichen einer Leistungsschwelle, bei der die Gefahr besteht, dass bei einem Weiterbetrieb mit einem AC-Signal der Lampenbo- gen erlischt, wird von AC-Betrieb auf Quasi-DC-Betrieb umgeschaltet. Dazu wird die Hochdruckentladungslampe La mit so genannten Pseudo-Kommutierungen betrieben. Die der Lampe zugeführte Leistung wird dabei weiter abgesenkt, bis zum Zeitpunkt t3 der so genannte Stand-By-Betrieb er ^¬ reicht ist, bei dem die Lampe mit Pseudo-Kommutierungen von einer Frequenz in der Größenordnung von 500 Hz betrieben wird, um sicherzustellen, dass der Kondensator Cl ausreichend nachgeladen wird, um damit einen ordnungsge ^¬ mäßen Betrieb des High-Side-Treibers 14 zu gewährleisten. Zwischen den Zeitpunkten t3 und t ₄ wird die Lampe mit et- wa 20 % ihrer Normleistung betrieben. Dadurch kühlt die Lampe weiter ab, so dass sie zum Zeitpunkt t ₄ , der entwe-

der durch Vorgabe des Zeitraums ti bis t ₄ oder durch Mes ^¬ sen der Lampentemperatur ermittelt wird, eine Temperatur erreicht hat, die nach einem Abschaltvorgang eine sofortige erfolgreiche Wiederzündung erlaubt. Wird alternativ die Temperatur gemessen, wird der Zeitpunkt t ₄ dadurch festgelegt, dass sich die Lampe auf eine vorgebbare Tem ^¬ peratur, beispielsweise 350 ⁰ C oder weniger, abgekühlt hat.

Demnach kann die Hochdruckentladungslampe La in dem Zeit- fenster δTi jederzeit sofort wieder auf 100 % hochgefah ^¬ ren werden, sofern eine Bedienperson dies wünscht. Zum Zeitpunkt AT ₂ kann die Lampe La sofort erfolgreich wie ^¬ dergezündet werden, falls eine Bedienperson dies wünscht. Demnach gibt es keinen Zeitpunkt mehr, in dem die Lampe La nicht sofort wieder eingeschaltet werden könnte.

Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf des Lampenstroms, oh ^¬ ne dass eine Pseudo-Kommutierungen stattfinden. Die Kommutierungen sind mit Ziffern 1 bis 14 nummeriert . Unmit ^¬ telbar vor einer Kommutierung ist der Lampenstrom puls- förmig erhöht. Dabei handelt es sich um eine Maßnahme zur Verringerung von Flackererscheinungen, insbesondere Flickern und Bogensprichen, wie sie beispielsweise in der Schrift WO 95/35645 beschrieben ist. Diese Maßnahme ist unabhängig von der Ausführung von Pseudo-Kommutierungen gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Die Frequenz des rechteckförmigen Verlaufs des Stroms liegt üb ^¬ licherweise zwischen 200 Hz und 5 kHz.

In Fig. 4 ist zu erkennen, dass die Kommutierungen 3 , 4 und 6, 7 durch den Microcontroller 12 sehr kurz ausge- führt wurden. Vorliegend beträgt eine lange Kommutierung

15 ms, eine kurze Kommutierung lediglich 5 μs . Letztere ist im Lampenstrom I _L kaum zu erkennen, da der Strom bedingt durch Ausgangskapazität und -induktivität des Zünd ^¬ kreises gar nicht so schnell seine Flussrichtung umkehren kann. Der Lampe wird also ein DC-Signal zugeführt. Aller ^¬ dings reicht die kurze Kommutierung aus, um den Kondensa ^¬ tor der Ladungspumpe nachzuladen. Eine typische Kommutie ^¬ rung im Normalbetrieb dauert hingegen in einem bevorzug ^¬ ten Ausführungsbeispiel etwa 50 μs .